ультракороткий импульс

Настройка струны до нужной ноты: лазерный импульс подстраивают так, чтобы гармоники звучали в унисон на килоэлектронвольтных частотах. Свет, который мы видим, колеблется с частотой в сотни триллионов раз в секунду.

Кузнец раздувает мехи, и медленный поток воздуха превращается в острую струю, способную разжечь пламя. Примерно так же физики обращаются со светом: берут длинный лазерный импульс и сжимают его в короткую мощную вспышку. В новой работе французские учёные сжали импульс коммерческого лазера на иттербии в 65 раз, доведя его длительность до 6,2 фемтосекунды.

Это как рекорд в беге на короткую дистанцию: чтобы побить его, нужна идеальная разбежка. Но у субмиллисекундных пульсаров разбежка слишком коротка. Самый быстрый известный пульсар PSR J1748-2446ad делает 716 оборотов в секунду — быстрее кухонного блендера. Если бы он был размером с Землю, точка на его экваторе двигалась бы со скоростью около 0,24 скорости света.

Ночью на берегу стоит маяк. Его лампа погашена почти всегда — но раз в несколько дней, на долю секунды, он вспыхивает так, что свет виден за горизонтом. Именно так ведёт себя PSR J2108+5055: нейтронная звезда в нашей Галактике, которая молчит годами, а потом выдаёт одиночный радиоимпульс, способный затмить целые созвездия.

Три дня подряд лазер бил в струю газа, и каждую секунду рождался пучок электронов с энергией, как у маленькой молнии. Раньше такие пучки получали только в огромных залах, где ускоритель занимает целое здание. Теперь вся установка уместилась в комнате и проработала без сбоев 72 часа.

Когда мощный лазерный импульс попадает в газовую среду, он ионизирует атомы — вырывает электроны, — и разгоняет их до релятивистских скоростей, близких к скорости света. Эти высокоэнергичные электроны, пролетая через плазму, испускают рентгеновское излучение, подобно светящемуся следу от быстрой частицы.

Два электрона, вылетевшие с кончика металлической иглы почти одновременно, начинают расталкиваться — это проявление кулоновского отталкивания одноимённых зарядов. Аналогия: два человека, которые одновременно протискиваются в узкую дверь: чем ближе они друг к другу, тем сильнее мешают.

Сверхпроводящий кубит — базовый элемент квантового процессора — сравним с капризным музыкальным инструментом: пока его не настроишь, чистой ноты не жди. Но даже после настройки звук плывёт. Виновники деградации квантового состояния — микроскопические дефекты в материале, известные физикам как двухуровневые системы (ДУС).

Галактика — не гладкое озеро, а пруд, по которому идёт рябь. Эту рябь создаёт сверхлёгкая тёмная материя (частицы в миллиарды миллиардов раз легче электрона). Колебания её поля чуть сбивают ритм далёких пульсаров — космических маяков, чьи сигналы ловят земные радиотелескопы.

В безмолвном океане Галактики зрелые цивилизации, вероятно, давно избрали неожиданную стратегию: вместо громогласных маяков они рассеивают тихих светлячков — автономные межзвёздные лазерные маяки, дрейфующие в пустоте и роняющие микросекундные вспышки. Эти «семена контакта» не привязаны к родным звёздам и не гаснут в их сиянии.

Обычный лазер — это резонатор, где свет мечется между зеркалами и усиливается. Но зеркала можно убрать, а свет заставить кружиться в крошечной частице, которая меньше самой световой волны. Именно так работают новые лазеры из наночастиц фосфида индия, помещённых на идеально гладкое золото.

Заводской лазер, который на производстве режет и сваривает металл, впервые заставили работать ускорителем частиц. Физики взяли стандартный иттербиевый лазер — его сердцевина из кристалла размером с ладонь — и превратили его вспышки в инструмент для разгона электронов почти до скорости света.

В созвездии Скорпиона, в 3000 световых годах от Земли, мёртвая звезда крадёт вещество у живой. Белый карлик в системе IGR J17014-4306 — сверхплотный углеродно-кислородный шар массой с Солнце, но размером с Землю — перетягивает водород с обычной звезды-компаньона.

Тёмная материя — невидимая субстанция, проявляющая себя лишь через гравитационное воздействие: она искривляет свет далёких галактик, подобно незримому окну, меняющему ход лучей.

В молекуле бензола электроны носятся вокруг ядер, как рой пчёл вокруг улья. Но этот рой не просто гудит — он пульсирует: каждые 856 аттосекунд электронное облако совершает полный цикл колебаний. А сам улей — ядра атомов углерода — качается медленнее, с периодом 36 фемтосекунд.

Вселенная пронизана невидимой субстанцией — тёмной материей, чьё гравитационное влияние очевидно, но состав остаётся загадкой. Одна из гипотез предполагает, что она состоит из сверхлёгких частиц, масса которых настолько мала, что они проявляют волновые свойства, образуя своего рода космическую рябь.

Маятник качается с такой точностью, что, отсчитывай он секунды от Большого взрыва, к сегодняшнему дню ошибся бы всего на полсекунды. Такова стабильность нового портативного ультрафиолетового лазера — сердца алюминиевых атомных часов. Этот лазер работает как сверхточная линейка для измерения частоты атомного перехода.

Обычно изотопы разделяют, цепляясь за разницу в весе ядра. Она крошечная — как если бы сортировали песчинки, отличающиеся на одну сотую миллиметра. Новый метод смотрит не на вес, а на вращение ядра — его спин. Лазер бьёт по молекулам дважды с короткой паузой.

Обычный лазер светит узкими линиями, как струна, которая звучит только на одной ноте. Для спектроскопии это неудобно: если вещество поглощает свет между линиями, его можно не заметить. Терагерцовый квантово-каскадный лазер — это полупроводниковый чип размером с ноготь, который излучает волны с частотой от 1 до 6 терагерц (триллионов колебаний в секунду).

Лазер бьёт по мишени из тонких проволочек — и за десятки фемтосекунд (миллиардных долей миллиардной доли секунды) выбивает из них поток протонов. Эти протоны влетают в конвертер из лития и дейтерия, где рождаются нейтроны.

Обычная фотовспышка длится тысячные доли секунды. Аттосекундный импульс в триллион раз короче — за время его действия свет проходит расстояние меньше размера атома. Такие вспышки работают как сверхскоростной затвор: они замораживают движение электронов, позволяя увидеть, как те перескакивают между орбиталями или участвуют в химической реакции.

Обычная фотовспышка замирает на сотых долях секунды — но для атомов это вечность. Внутри молекул электроны перескакивают за аттосекунды: миллиардные доли миллиардной доли секунды. Чтобы заснять такое, нужен импульс света короче самого события. Физики берут пучок электронов в линейном ускорителе и сжимают его так, что отдельные сгустки становятся тоньше волоса — по времени.

Обычный лист чёрного фосфора похож на слоёный пирог из атомов. Если посветить на него обычной лампой, ничего особенного не произойдёт: электроны в нём сидят ровно, как зрители в тёмном зале. Но короткая вспышка лазера, длящаяся миллионные доли миллиардной секунды, встряхивает этот зал.

Свет может нести информацию быстрее, чем любая электроника. Но обычно между компьютером и лазером стоит цифро-аналоговый преобразователь — устройство, которое превращает нули и единицы в электрические сигналы. Оно и тормозит весь процесс. Новый передатчик обходится без этого посредника.

Лазерная вспышка длительностью 50 фемтосекунд — это как выстрел, который длится одну миллиардную долю секунды. За это время свет успевает пройти всего 15 микрометров — меньше толщины человеческого волоса. Но если такую вспышку пропустить через усилитель, она начинает растягиваться, как резиновая лента, и теряет свою остроту.

Лазерная вспышка длится несколько фемтосекунд — это как если бы один миг растянули на миллион частей. В такой вспышке перемешаны сразу много цветов, от красного до фиолетового. Приборы, которые измеряют форму вспышки, часто ошибаются: одни цвета видят хорошо, другие — плохо. Из-за этого картинка получается смазанной. Авторы статьи предлагают простой выход.

Лазер, использующий в качестве активной среды алмаз, преобразует почти половину энергии накачки в яркий жёлтый свет — эффективность 47,7% стала рекордной для устройств такого типа.

Ударная волна в короне Солнца похожа на звуковой удар от самолёта, только вместо воздуха — раскалённая плазма, а вместо звука — скачок плотности и магнитного поля. 10 марта 2024 года такая волна прошла по западной части солнечного диска.

Лазерный луч бьёт по плёнке из золота и серебра всего несколько наносекунд — за это время свет успевает пройти расстояние меньше метра. В точке удара металл вскипает, разбрызгивается и застывает случайным узором из крошечных частиц. Каждый такой узор неповторим, как трещины на льду или ветви дерева.

Волчок, который крутится так быстро, что успевает сделать 220 оборотов за одну секунду, — именно такой объект поймал китайский радиотелескоп FAST. Это пульсар PSR J1810-0623, нейтронная звезда размером с город, но массой больше Солнца. Каждые 4,55 миллисекунды его радиолуч проносится мимо Земли, как маяк в космическом океане. Этот пульсар не одинок.

Радиотелескоп EDA2 в австралийской глубинке — как гигантское ухо, прижатое к небу. Он слушает космос на очень низких частотах, от 50 до 250 мегагерц, где обычные телескопы почти ничего не различают. Именно здесь пульсары — быстровращающиеся нейтронные звёзды — звучат особенно интересно: их импульсы растягиваются, искажаются и рассказывают о том, что встретилось им по пути.

Ритмичные вспышки маяка в густом тумане — так выглядит поиск пульсаров. Маяк вращается, и его луч периодически попадает в телескоп. Но туман размывает свет, и период кажется чуть другим. Если один и тот же маяк наблюдали дважды, можно сверить: периоды должны почти совпасть, а размытие — быть похожим.

В центре многих галактик скрываются сверхмассивные чёрные дыры — объекты с гравитацией такой силы, что даже свет не может их покинуть. Время от времени они «кричат»: испускают мощные рентгеновские вспышки, природа которых долгое время оставалась загадкой.

Камера, которая снимает не свет, а поток электронов, отражённых от кристалла, — это гибридный пиксельный детектор. Он умеет считать каждый попавший в него электрон, почти не создавая собственного шума. В обычном режиме, когда пучок электронов льётся непрерывно, детектор работает отлично.

Лазерный импульс, бегущий сквозь плазму, подобен бегуну, прокладывающему себе дорогу в толпе. Он расталкивает электроны, оставляя за собой разреженный канал — как расступается толпа за спринтером. В этом канале гребень световой волны движется чуть быстрее, чем свет в вакууме, и именно эта скорость определяет, насколько эффективно импульс передаёт энергию частицам.

Лазерный луч обычно слегка дрожит, как струна после щипка. В оптических часах эта дрожь превращается в ошибку хода. Инженеры заменили дрожащий свет на ровный — и часы на парах рубидия стали тикать в пять раз ровнее. Внутри стандарта частоты свет лазера заставляет атомы рубидия поглощать энергию строго определёнными порциями. По числу таких поглощений отсчитывают секунды.

Кольцо размером с обеденную тарелку заставило пучок электронов бегать по кругу. Диаметр — 22 сантиметра, а полный оборот занимает всего 4,7 наносекунды. Для сравнения: за одну секунду такой электрон успел бы обернуться больше двухсот миллионов раз.

В индийской радиообсерватории Гаурибиданур 32 антенны, похожие на гигантские телевизионные, слушают небо. Они ловят радиоволны от пульсаров — мёртвых звёзд, которые крутятся с бешеной скоростью и мигают, как маяки. Раньше сигналы с этих антенн обрабатывались медленно и неудобно.

Короткий лазерный импульс бьёт в воздух — и на месте удара вспыхивает крошечная молния. Она живёт дольше, чем кажется: яркое свечение видно ещё полмиллисекунды, а слабое — почти двадцать миллисекунд. Всё это время внутри плазмы носятся свободные электроны, и учёные впервые точно измерили, сколько их и насколько они горячие.

Пульсар — это мёртвая звезда, которая крутится с бешеной скоростью и шлёт радиоимпульсы, как маяк. Обычно такие импульсы идут строго по расписанию, но иногда среди них попадаются настоящие монстры — гигантские импульсы, которые в тысячи раз ярче обычных. Астрономы 174 часа слушали пульсар PSR J1227-4853 с помощью гигантского радиотелескопа в Индии.